虚拟海洋战场信息动态实时显示技术研究

摘 要： 为了能够以通用、灵活的形式逼真反映战场的对抗过程，展现攻防双方对抗效果，针对虚拟海洋战场信息实时显示技术展开研究，针对二维电子地图显示和三维虚拟场景显示的特点，实现了两种显示方式的集成交互，解决了三维环境仿真、听觉仿真、坐标转换、视点控制、数据平滑及回放等关键技术，较好的结合了二维电子地图显示的宏观性和三维虚拟场景显示的直观性，应用于某虚拟海洋战场仿真系统，能够更好地增强战场感知能力，提升作战仿真研究与训练的效果。

关键词： 二维电子地图； 三维虚拟场景； 动态响应； 实时显示； 虚拟海洋战场

中图分类号： TN911?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）12?0038?04

0 概 述

现代战争是复杂条件下的一体化联合作战，是高技术装备体系之间的对抗，战场态势瞬息万变，各种信息数据极其丰富。作战模拟是现代条件下研究战争、进行军事训练、论证武器装备效能、作战方案评估等问题的有效手段[1]。随着战争研究不断地发展，各种新战争形态的出现，以往那种关注局部问题的作战模拟已经不能适应现代战争在体系对体系方面的新需求[2]。在虚拟战场模拟显示技术中，传统的二维桌面显示模式可以在一定程度上观察整个战场态势，但面对综合环境中巨大的信息量也暴露出了多方面的局限性，不能直观显示空间立体信息，不利于指挥人员进行空间范围的部署和战术决断。传统的三维场景显示能够将复杂抽象的事物以直观、用户熟悉的方式显示出来，同时实现用户与三维场景的交互操作，提供身临其境的临场感，但通常只能对观察人员视野范围内较小的局部战场进行描绘。观察人员对视野外的战场信息则一般无法直观获取，显然在全局态势显示方面存在局限性[3]。目前，二维地图显示与三维虚拟场景显示之间相互响应的思想，在城市规划、交通系统中已有不少应用，因此，在实时战场仿真领域，从人员处理信息、解决问题的角度，将二维地图与三维虚拟场景有机结合，能够更好地增强战场感知能力，提升作战仿真研究的效果。

1 虚拟战场的信息表现

虚拟战场中的态势表现形式包括面向观察操作人员把握战场总体情况的二维态势，如各种地图、航线、轨迹、状态信息；面向观察操作人员的三维态势，如地形、风浪、天气、光照、各种平台毁伤效果、各传感器的电磁作用范围等。这些态势的相互融合，涉及电子地图、三维建模显示、立体音效等，开发工作量大，技术复杂[4]。

1.1 二维态势显示

作为虚拟战场显示的一个重要组成部分，二维态势模块主要实现了操作人员与仿真应用之间的接口，它提供给操作人员动态变化的态势信息，帮助用户实时建立战场的全局印象，把握实体的位置、属性和状态等信息。二维态势显示主要提供地图服务，战场实体要素服务，基于此实现地图浏览、平面空间分析、实体查询标注、轨迹绘制、分层管理等功能。目前的工具型GIS系统都提供了功能强大的接口，可以根据应用目的，选择使用通用软件开发工具实现所需的功能，如图层控制、改变视口、地图信息查询、缩放、平移、测量等，同时可以通过态势标绘，将战场演练过程中发生的情况用约定的符号标记在二维地图上，全面、准确、及时的反映虚拟战场攻防对抗的态势，包括双方的、运动实体的军标和轨迹、仿真过程中的关键事件等。二维态势表现在实体信息查询、空间分析等方面已经非常成熟，但在战场具体环境的表现上缺乏空间直观性。

1.2 三维态势表现

1.2.1 三维实体的建模与渲染

1.2.2 三维战场视觉环境仿真

1.2.3 实时战场听觉信息仿真

在战场环境中，声音是不可或缺的重要组成部分。听觉信息仿真主要是通过对战场中各实体的音效、方位、音量及多普勒效应的模拟来保证虚拟战场信息的完整性，增强态势仿真的真实感，降低对视觉信息的依赖，引导操作人员进行更细微的分析判断[7]。

三维声音建模的重点在于虚拟环境中的声音变换。三维虚拟声音不仅要在三维虚拟空间中把实际声音信号定位到虚拟声源所处的特定位置，还要实时跟踪虚拟声源相对于听者的位置变化而变化。为正确描绘出声音效果，需要对声音传播路径的延迟及强度的增强与衰减进行模拟。比如说，随着飞机距离观察者的远、近，或者速度的快慢，感觉到引擎声音的增强与衰弱；又如随着机载导弹的发射听到尾迹声逐渐变弱等。声音控制采用触发机制，虚拟战场中包括水声、爆炸声、机器引擎的声音等，可以通过特殊效果触发、固定时间触发、碰撞触发或随机触发等，具有很好的灵活性。同时，声音效果要与实时变化的视觉相一致，才能产生视觉和听觉的叠加与同步效应，增强真实感。

除了实体在交互过程中产生的声音事件外，由于虚拟战场环境中观察范围很大，在系统中还需要充分考虑全局因素，适当加入一些声音背景和提示音，如在比较小的音量范围内产生一定数量的背景声，根据想定中的控制标志实时播放指挥人员下达的命令声等，可以更好的烘托战场环境，使用户能够清晰地理解仿真所表达的内容，增强对虚拟战场的体验感。

2 二维三维态势信息的融合交互

2.1 集成交互

在本系统中，二维态势与三维场景一体化主要体现在以下几个方面：

（1）二维态势与三维态势在位置、状态等各方面的显示一致。二维态势与三维场景一体化集成交互的基本要求就是在任一给定时刻，它们显示的场景内容是相同的，不同的只是提供给用户的显示形式，一个以二维图标线条为主，一个以三维模型效果为主。

（2）二维、三维态势驱动数据同步。态势显示系统中的公用驱动数据包括仿真时间、目标位置、状态、作战指令等，如表1所示。二维战场态势显示节点负责实时显示更新军标位置与方向，并对作战区域、威胁范围等进行标注；三维态势节点负责根据驱动数据实时更新三维实体模型位置、姿态，渲染战场环境，接收控制指令，改变观察视角。二维、三维态势集成交互时，驱动数据都从战场仿真导演节点获得，确保二维、三维态势信息驱动数据的一致性。

表1 二、三维态势仿真驱动数据

（3）二维、三维态势的操作控制同步。二维、三维态势操控同步也就是要求无论用户在哪一种态势显示方式下进行实体查询、标绘等操作时，另一种态势显示方式会实时响应，动态显示该区域的场景或目标，保证态势显示的统一。

2.2 场景视点规划

视点是图形坐标系统中的一个瞬间空间位置，仿真中的视点方式就是从空间某一个具体的位置，按照一定的规律运动、以合适的角度观看某个局域场景，它控制着视锥体内的视觉表现[9]。空间战场中实体数量多、事件形式复杂，存在大量的需要显示的信息，将这些信息同时显示，不仅会超出指挥人员对信息的分析和利用能力，而且即使是同一仿真系统、同一想定，用户每次进行仿真时所关注的对象和内容也可能不同，单一的窗口和视点规划难以将战场细节很好地表达出来。

在实际应用中必须根据需求显示相应的信息，通过预先规划路径自动漫游、重要事件触发、人机输入设备切换控制等方式组合规划视点。操作人员对虚拟战场实体进行跟随观察时，可以利用三维场景实时接收二维态势中用户点击查询的目标编号，综合利用键盘灵活控制视点与被观测实体间的距离和角度等状态，实时观察该目标，同时通过对二维态势的观察对整个战场形势进行全面分析，克服单独在三维空间环境中漫游产生的迷失感，使操作控制人员能够实时、全面掌握战场态势，缩短决策、评估时间。

3 数据平滑及回放

由于虚拟战场各仿真平台推进的步长不同，态势显示中各数据接收的周期也不同。当数据接收周期大于40 ms时，数据间隔较大，若不加处理，三维态势显示画面会产生跳跃，严重影响仿真效果。实际应用中，可以采用对仿真数据进行插值或预估递推的方法来解决三维图像的平滑显示问题，即保存仿真实体最新的两周期数据，当接收到某仿真实体当前仿真数据时，开始更新上一帧数据。在接收到的两个数据点间，根据仿真数据推进周期T和帧刷新周期?t确定插值数[TΔt，]保证每次图像刷新时，实体的位置均匀变化。但这样会造成三维显示总是滞后仿真系统一个仿真周期T。当T较大造成三维显示滞后较多时，也可采用预估递推的方法，通过接收到的少量数据，根据图像的刷新率需要，计算推测未知点的数据，当预估实体数据与收到的即时数据存在较大偏差时，就直接使用收到的即时数据同步推进显示，保证图像渲染平滑。

同时，记录仿真对象的状态和它们之间的交互信息，仿真推演结束后回放评估，在战场仿真试验过程中也是不可缺少的功能。采用C++文件输入输出流的方法将实体的运动数据保存为数据文件，比用VCR方式记录的视频数据要高效，并且可节省大量的系统资源和磁盘空间，回放过程也可进行人工操控，并按照不同需求进行数据插值或跳点读取，实现不同的回放速度，实现仿真过程的重演。

4 结 语

为综合表现虚拟战场态势，将二维地图与三维虚拟场景有机结合，使二维数字地图操作与三维场景展示在数据、显示、操控等方面实现同步一致，消除了三维态势对整个战场态势认识的不足和漫游时产生的方向迷失感，又弥补了二维电子地图认知战场环境所带来的缺陷。应用于某虚拟海洋战场系统[10]，实现了战略层面上战场态势的宏观展示和战术层面上参战实体细节的微观表达，取得了较好的效果。

参考文献

[1] 张野鹏.作战模拟基础[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 顾浩，王祥祖，程健庆.海上区域作战模拟分析系统技术[J].计算机仿真，2005，22（10）：13?18.

[3] 吴家铸.视景仿真技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[4] 廖学军.数字战场可视化技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2010.

[5] 庞国峰.虚拟战场导论[M].北京：国防工业出版社，2007.

[6] 黄安祥.空战虚拟战场设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

[7] 庄庆鸿，李宁.虚拟环境中的低成本实时立体声显示[J].计算机仿真，2009，26（8）：72?76.

[8] 刘明皓，康凤举.空间战场一体化视景仿真系统设计与实现[J].火力与指挥控制，2011，36（7）：149?155.

[9] 刘卫东.可视化与视景仿真技术[M].西安：西北工业大学出版社，2012.

[10] 杜阳华，曹志敏.海上区域作战虚拟训练系统设计及关键技术[J].火力与指挥控制，2011，36（4）：52?57.